無人機(jī)安全飛行外部風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與防誘騙處理技術(shù)研究

李航，吳彥，趙敏，王藝超

1.空軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍事代表室

2.北京市信息技術(shù)研究所

3.95894部隊(duì)

無人機(jī)安全飛行一直是設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者、使用者、管理者等關(guān)注的關(guān)鍵問題。影響無人機(jī)安全飛行的因素有很多，分為內(nèi)部影響因素和外部影響因素。本文針對(duì)安全飛行外部風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，重點(diǎn)闡述無人機(jī)防誘騙處理關(guān)鍵技術(shù)，列出一些常用算法，作為下一步相關(guān)研究，以及提高無人機(jī)穩(wěn)定性和安全性的理論參考。

任何無人機(jī)從起飛到降落的飛行全過程中，都可能出現(xiàn)安全問題，進(jìn)而引起不同程度的損失，特別是大中型無人機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)，一直受業(yè)界高度關(guān)注。

無人機(jī)安全飛行影響因素

總體來說，影響無人機(jī)安全飛行的因素可歸納為內(nèi)部和外部兩方面，內(nèi)部因素主要包括無人機(jī)分系統(tǒng)等設(shè)備故障對(duì)無人機(jī)安全飛行造成的影響；由外部因素引起的事故，主要包括外部環(huán)境、其他設(shè)備、空中碰撞、信息安全或人為等因素對(duì)無人機(jī)飛行安全造成的影響，如通信干擾、誘騙、飛鳥撞擊、任務(wù)規(guī)劃不合理等造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文主要介紹誘騙手段對(duì)無人機(jī)飛行安全的影響。

飛行操控是影響無人機(jī)飛行安全的重要因素

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美軍“捕食者”無人機(jī)飛行事故中，多數(shù)是由于操控不當(dāng)或系統(tǒng)問題而引起。國內(nèi)外多數(shù)無人機(jī)飛行問題的分析表明，多數(shù)系統(tǒng)問題往往可以在地面合理處置，避免事故發(fā)生。例如，“捕食者”數(shù)據(jù)鏈故障導(dǎo)致飛行員誤關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)等問題。可以說，不合理操控和系統(tǒng)問題出現(xiàn)后的不當(dāng)處理，是大多數(shù)飛行事故的誘因。為提高無人機(jī)安全性，減少事故發(fā)生，美軍已大大加強(qiáng)了操控處理方面的研究力度，其中決策支持系統(tǒng)是最為有效的方法。美軍無人機(jī)雖然戰(zhàn)功卓著，但也事故頻發(fā)。在過去一些時(shí)間，美軍平均每年都會(huì)發(fā)生多起A級(jí)無人機(jī)事故,其中多數(shù)是因操控不當(dāng)或系統(tǒng)問題而引起。比如，2011年8月17日，美軍一架RQ-7“影子”無人機(jī)與美國空軍特種作戰(zhàn)部隊(duì)的一架MC-130運(yùn)輸機(jī)在阿富汗上空相撞；2007年3月，美軍一架“捕食者”在坎大哈空軍基地著陸時(shí)墜毀見圖1，事故原因是操控不當(dāng)。所以開展無人機(jī)地面故障診斷技術(shù)研究、空中飛行操控輔助分析與決策研究，現(xiàn)實(shí)迫切且意義重大。

圖1 “捕食者”無人機(jī)由于操控不當(dāng)而墜毀。

無人機(jī)反制日益影響飛行安全

隨著無人機(jī)的發(fā)展和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，對(duì)無人機(jī)信號(hào)進(jìn)行干擾和導(dǎo)航誘騙成為反無人機(jī)的重要手段，嚴(yán)重影響了無人機(jī)的飛行安全，當(dāng)前主要包括以下幾種無人機(jī)干擾與誘騙技術(shù)。

（1）衛(wèi)星導(dǎo)航干擾與誘騙技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航干擾技術(shù)按機(jī)制可分為壓制式干擾、誘騙式干擾和分布式立體干擾。

壓制式干擾是通過發(fā)射一定電平的干擾信號(hào)，壓制衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)前端的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收不到衛(wèi)星信號(hào)；

誘騙式干擾是通過發(fā)射與衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)相同的參數(shù)但信息碼不同的假信號(hào)，使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收錯(cuò)誤定位信息；

分布式立體干擾是指在地面和空中應(yīng)用多部多種類干擾機(jī)進(jìn)行全方位立體干擾。具體干擾形式多種多樣，例如寬帶高斯噪音、連續(xù)波、掃頻連續(xù)波、脈沖連續(xù)波、窄帶／寬帶調(diào)頻信號(hào)等。

（2）網(wǎng)絡(luò)信號(hào)侵入與反侵入技術(shù)

高度智能化的無人系統(tǒng)往往被接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，因此為破解其關(guān)鍵密碼或協(xié)議創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。視距或衛(wèi)通鏈路信號(hào)很容易被接收，只要截獲的數(shù)據(jù)樣本足夠大，在一段時(shí)間后總能被破解。此外，無人機(jī)地面控制站計(jì)算機(jī)往往防護(hù)不嚴(yán)密，使用鍵盤記錄器之類的木馬軟件就可以截獲無人機(jī)操作規(guī)律，分析出有用信息。

（3）任務(wù)載荷致盲技術(shù)

這種技術(shù)并不對(duì)無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行干擾，也不會(huì)對(duì)任何信息進(jìn)行攔截，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)已經(jīng)將“不會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)墜落、不會(huì)致其死機(jī)或者任何違法行為”考慮在內(nèi)。該系統(tǒng)甚至不會(huì)損害無人機(jī)光電設(shè)備，但使其拍攝不到目標(biāo)，還能讓操控員看到一些無關(guān)的影像。

（4）模擬傳感器威脅能力的硬件設(shè)備

為了模擬敵方無人機(jī)可能搭載的傳感器，美國某機(jī)構(gòu)開發(fā)了一種綜合性硬件設(shè)備。這種設(shè)備可以模擬包括具有熱成像能力的光電/紅外傳感器設(shè)備，探測(cè)和分析其它傳感器的通信信號(hào)，干擾武器系統(tǒng)等設(shè)備的威脅能力。對(duì)情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）能力進(jìn)行模擬和復(fù)制，使對(duì)抗敵方信號(hào)情報(bào)能力的效能評(píng)估試驗(yàn)變得可行。

無人機(jī)安全飛行外部風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與處理技術(shù)研究

無人機(jī)外部風(fēng)險(xiǎn)是指影響無人機(jī)飛行安全的外界因素所產(chǎn)生的安全隱患。下面對(duì)無人機(jī)防誘騙技術(shù)進(jìn)行闡述和分析。

無人機(jī)防誘騙處理技術(shù)

（1）重要性

圖2 無人機(jī)飛行面臨信號(hào)干擾的威脅。

導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)的飛行安全極為重要。當(dāng)前無人機(jī)最主要的導(dǎo)航方式為慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航(INS/GNNS)，該方式綜合了慣性導(dǎo)航（INS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的優(yōu)勢(shì)，通常可為無人機(jī)提供長時(shí)間、高精度定位與導(dǎo)航信息。但是，當(dāng)GPS信號(hào)微弱或被其他設(shè)備干擾時(shí)，由于慣導(dǎo)具有誤差隨時(shí)間累積特性，組合導(dǎo)航的優(yōu)越性得不到體現(xiàn)，造成較大誤差。在特殊情況或戰(zhàn)爭(zhēng)期間，GPS有可能被人為關(guān)閉無法使用，甚至被敵人誘騙給出錯(cuò)誤信息。2011年，美國無人偵察機(jī)RQ-170在執(zhí)行任務(wù)途中被伊朗以GPS信號(hào)誘騙的方式“輕松”捕獲，近年來曾發(fā)生GPS信號(hào)誘騙技術(shù)誘導(dǎo)無人機(jī)改變航向等事件，突顯了提高無人機(jī)防誘騙處理技術(shù)的重要性和迫切性。

（2）實(shí)現(xiàn)無人機(jī)防誘騙需解決兩個(gè)問題

一是檢測(cè)無人機(jī)是否存在誘騙風(fēng)險(xiǎn)，判斷當(dāng)前有沒有被誘騙；二是如果存在誘騙，采用何種措施確保無人機(jī)能夠繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)或者安全返航。

判斷無人機(jī)是否被誘騙之前，需要先了解誘騙GPS的機(jī)理，當(dāng)前GPS面臨的安全威脅主要包括GPS干擾和GPS誘騙。顧名思義，GPS干擾就是對(duì)GPS接收機(jī)施加干擾信號(hào)，使GPS接收機(jī)無法接收到真實(shí)的GPS信號(hào)，從而無法獲取位置信息和時(shí)間信息，此時(shí)GPS的異常情況比較容易判斷，然后直接進(jìn)入備用引導(dǎo)方式，確保無人機(jī)安全飛行；而GPS誘騙則是通過偽造或者重放GPS信號(hào)的方式，使GPS接收機(jī)接收偽造或者重放的 GPS信號(hào)，從而使GPS接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的位置和時(shí)間信息，這種情況比較嚴(yán)重，需要準(zhǔn)確判斷無人機(jī)是否被誘騙，然后采取相應(yīng)措施。

目前，誘騙無人機(jī)的手段主要是通過篡改其GPS信號(hào)而實(shí)現(xiàn)。隨著電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，GPS或北斗作為一種公開資源，易被操控和干擾的問題日益突出。根據(jù)GPS誘騙信息的分析，通?？煽紤]采用以下方法判斷無人機(jī)導(dǎo)航信號(hào)是否受到誘騙攻擊，一是記錄并比較接收到的信號(hào)強(qiáng)度；二是記錄并比較發(fā)送信號(hào)的衛(wèi)星編號(hào)和衛(wèi)星數(shù)目；三是記錄并比較發(fā)送信號(hào)的精確時(shí)間；四是記錄并比較接收機(jī)和其它來源的位置信息。

1）誘騙信號(hào)的產(chǎn)生方式

GPS誘騙信號(hào)的產(chǎn)生方式可分為轉(zhuǎn)發(fā)式GPS誘騙和生成式GPS誘騙兩類。轉(zhuǎn)發(fā)式GPS誘騙，首先將真實(shí)的GPS信號(hào)接收下來后，經(jīng)過延遲、功率放大后由干擾機(jī)發(fā)射天線向空中輻射，從而使GPS接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的位置和時(shí)間信息。

生成式GPS誘騙就是根據(jù)已經(jīng)公開的GPS信號(hào)的信號(hào)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)頻碼和調(diào)制方法以及加密和檢驗(yàn)矩陣的算法，偽造出特定的GPS信號(hào)，然后根據(jù)要發(fā)射的誘騙點(diǎn)位置、GPS衛(wèi)星的位置，推算出每個(gè)GPS信號(hào)從GPS衛(wèi)星發(fā)出到被GPS接收機(jī)接收所需要的時(shí)延，在這些時(shí)延段發(fā)射各個(gè)GPS誘騙信號(hào)。當(dāng)接收機(jī)收到GPS誘騙信號(hào)時(shí)，GPS接收機(jī)會(huì)根據(jù)三球定位原理解算定位方程，由于時(shí)延都已經(jīng)被設(shè)計(jì)好，所以GPS 接收機(jī)就會(huì)受到誘騙。

轉(zhuǎn)發(fā)式GPS誘騙實(shí)現(xiàn)難度較低，但靈活性較差；生成式GPS誘騙則可以根據(jù)需要生成特定的GPS信號(hào)，但實(shí)現(xiàn)難度較大。早期，由于轉(zhuǎn)發(fā)式GPS誘騙的局限性以及生成式GPS 誘騙的實(shí)現(xiàn)成本較高，GPS誘騙技術(shù)并沒有引起人們的重視。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軟件及無線電技術(shù)的發(fā)展和成熟，GPS誘騙技術(shù)成本和難度大幅降低。

2）防誘騙的導(dǎo)航方式

當(dāng)檢測(cè)到GPS信號(hào)受到誘騙時(shí)，可考慮利用無人機(jī)系統(tǒng)配備的其它輔助導(dǎo)航手段，校正慣導(dǎo)的漂移，實(shí)現(xiàn)可接受精度內(nèi)的自主導(dǎo)航，確保無人機(jī)能夠繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)或者安全返航。景象匹配和地形匹配輔助導(dǎo)航屬于主動(dòng)導(dǎo)航方式，這兩種導(dǎo)航方式在國內(nèi)外被廣泛研究，并用于美軍多種巡航導(dǎo)彈和戰(zhàn)斗機(jī)，其效果經(jīng)受過實(shí)踐檢驗(yàn)，是一種應(yīng)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航受到誘騙威脅的重要輔助手段。

景象匹配屬于二維匹配，是基于地表敏感特征與地理位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的方式。具有定位精度高、自主性強(qiáng)等特點(diǎn)，適于平原、海面等地理形態(tài)起伏小的地區(qū)使用，成為組合導(dǎo)航中頗受重視的技術(shù)之一。近十多年以來，景象匹配輔助導(dǎo)航技術(shù)已成功應(yīng)用于巡航導(dǎo)彈的中制導(dǎo)和未制導(dǎo)階段，并取得顯著成效。

根據(jù)景象輔助導(dǎo)航系統(tǒng)所利用的不同圖像信息，匹配方法大致可分為基于灰度的匹配方法和基于特征的匹配方法。

基于灰度的匹配方法是通過比較兩幅圖像中像素點(diǎn)灰度的相似度來完成匹配。此方法無需對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，且尺寸較小、灰度變化不大的圖像可達(dá)到亞像素級(jí)的匹配精度。主要存在的問題是，對(duì)于噪聲及各種干擾十分敏感，抗幾何變形能力差，因此其匹配定位精度和可靠性難以保證。

基于特征的匹配方法是通過提取圖像的角點(diǎn)、直線、相交線、輪廓、曲率點(diǎn)、合成描述等特征，直接對(duì)特征進(jìn)行匹配，因其不依賴于圖像灰度，該方法已得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，一些學(xué)者對(duì)雷達(dá)與光學(xué)景象共性特征的提取與匹配算法進(jìn)行研究，提出基于目標(biāo)邊緣特征的匹配算法、基于目標(biāo)區(qū)域特征的匹配算法以及雙特征粗精匹配算法。旋轉(zhuǎn)與比例不變的點(diǎn)特征松弛匹配算法，在抗旋轉(zhuǎn)與比例變化方面具有很好的有效性和可行性。此外，利用側(cè)抑制競(jìng)爭(zhēng)法進(jìn)行圖像邊緣特征的提取，并結(jié)合SSDA算法的基本思想，能夠?qū)崿F(xiàn)基于邊緣特征的快速景象匹配算法。

不論哪一類匹配算法，都是下面三種元素的不同選擇組合，詳見表1。

地形匹配技術(shù)是指利用地形高程特征進(jìn)行定位的輔助導(dǎo)航手段。首先在已選好的航路上，選定若干個(gè)地形匹配區(qū)，進(jìn)行量化后制成一張用數(shù)字表示的數(shù)字地圖，預(yù)先存儲(chǔ)在無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)。當(dāng)無人機(jī)飛臨預(yù)設(shè)的地形匹配區(qū)上空時(shí)，其攜帶的電子設(shè)備通過測(cè)量、計(jì)算、比較，即可確定無人機(jī)偏離預(yù)設(shè)航線的偏差，根據(jù)偏差，機(jī)載計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可修正航線、保持航向，其工作原理如圖2所示。

通過地形匹配技術(shù)，利用地形信息對(duì)無人機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差進(jìn)行校正，構(gòu)成地形輔助導(dǎo)航 (Terrain-Aided Navigation，TAN)系統(tǒng)，具有自主性高、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾能力差、易被干擾、誘騙等缺陷的重要手段。到目前為止，國外已研究和開發(fā)了多種地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，有幾種系統(tǒng)已裝備現(xiàn)役武器系統(tǒng)并在實(shí)戰(zhàn)中得到成功檢驗(yàn)。

TERCOM地形等高線匹配系統(tǒng)是一種已在“戰(zhàn)斧”和空射巡航導(dǎo)彈上應(yīng)用、并在實(shí)戰(zhàn)中使用過的地形高度匹配系統(tǒng)。1958年美國E-系統(tǒng)（E-System）公司為超聲速低空導(dǎo)彈開發(fā)了一種地形等高線匹配系統(tǒng)TERCOM。70年代初，美國空軍與研制部門簽訂了一份合同，約定將這類系統(tǒng)裝配于低空飛行的無人機(jī)。后來大量研究證實(shí)，在戰(zhàn)略巡航導(dǎo)彈上使用TERCOM技術(shù)輔助慣性導(dǎo)航，具有可行性，極大增強(qiáng)了地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)用于飛機(jī)和導(dǎo)彈的信心。從那時(shí)起，E-系統(tǒng)公司一直在研究該系統(tǒng)，最后成功用于現(xiàn)代巡航導(dǎo)彈。1991年美國在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中使用“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈取得令世人矚目的戰(zhàn)果，“戰(zhàn)斧”和多種型號(hào)的空射巡航導(dǎo)彈使用了TERCOM系統(tǒng)，這種地形高度匹配方法是最早被提出解決地形高度匹配問題的方法。

在70年代中期，美國桑地亞實(shí)驗(yàn)室提出桑地亞地形慣性輔助導(dǎo)航系統(tǒng)SITAN。SITAN系統(tǒng)適用于有人機(jī)和低空飛行的無人機(jī)。由于地形局部線性化的要求，SITAN系統(tǒng)開始工作時(shí)，要求INS的定位誤差不能太大，一般要求小于200m。國外F-16戰(zhàn)斗機(jī)在飛行試驗(yàn)中使用了SITAN系統(tǒng)。在SITAN算法的基礎(chǔ)上，AFTI／SITAN系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，它利用多狀態(tài)擴(kuò)展卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)位置估值，并在上世紀(jì)80年代末安裝于AFTI／F16戰(zhàn)斗機(jī)，累計(jì)完成238架次、349h的飛行試驗(yàn)。飛行結(jié)果證明，該系統(tǒng)能在大的初始水平位置誤差情況下，連續(xù)可靠地提供飛機(jī)位置估值，飛行結(jié)果定位徑向誤差為47m。

英國不列顛宇航公司（Bae）開發(fā)的地形剖面匹配系統(tǒng)TERPROM(Terrain Profile Matching)，是目前世界應(yīng)用最廣的一種地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，已在4000多架美國F16戰(zhàn)斗機(jī)上得到應(yīng)用，一些北約噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)如“幻影”2000、“陣風(fēng)”、“鷂”式、“美洲豹”等飛機(jī)也使用該技術(shù)。

表1 匹配算法主要考慮的元素。

圖3 地形匹配輔助導(dǎo)航原理示意圖。